水源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵機(jī)組

一、熱泵的定義及基本原理。
熱泵是一種節(jié)能裝置，將低熱源（通常是空氣、水或土壤）的熱能轉(zhuǎn)移到高熱源，以便為住宅、商業(yè)、工農(nóng)業(yè)供暖、冷卻和提供熱水。
以室內(nèi)采暖為例，解釋了熱泵的節(jié)能效果。下圖提供了三種加熱方案。如果10kW熱量供應(yīng)到室溫20℃，燃煤加熱需要提供14.286kW化學(xué)能（70%燃煤效率），排放大量污染物；電阻加熱器直接加熱室內(nèi)空氣，至少10kW；電驅(qū)動(dòng)熱泵到室內(nèi)加熱，只消耗2.857kW（COP3.5）。可以看出，熱泵加熱減少了大量的高能耗。
二、三種熱泵機(jī)組的常見(jiàn)特點(diǎn)。
1.空氣源熱泵機(jī)組。
以室外空氣為熱源的熱泵機(jī)組稱為空氣源熱泵機(jī)組。空氣源熱泵是最常見(jiàn)的熱泵形式1。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，可分為空氣/空氣熱泵（如分體式柜式熱泵空調(diào)、熱泵窗式空調(diào)等）和空氣/水熱泵（如空氣源熱泵熱水器、空氣源熱泵冷熱水機(jī)組等）。下圖為空氣源熱泵原理示意圖。
空氣源熱泵機(jī)組的安裝和使用相對(duì)簡(jiǎn)單方便，機(jī)組運(yùn)行有一定的噪聲。一方面，空氣源熱泵機(jī)組一般不需要外殼結(jié)構(gòu)，布置在室外；一方面，空氣熱容量小于水，在相同的換熱要求下，空氣源熱泵機(jī)組需要比水大得多，因此選擇的風(fēng)扇也較大，導(dǎo)致空氣源熱泵機(jī)組噪聲增加。
當(dāng)室外空氣側(cè)換熱器的表面溫度低于周圍空氣的露點(diǎn)溫度和0℃時(shí)，換熱器的表面會(huì)結(jié)霜。機(jī)組結(jié)霜會(huì)降低室外換熱器的傳熱系數(shù)，增加空氣側(cè)的流動(dòng)阻力，降低機(jī)組的COP和加熱能力。
2.土壤源熱泵。
以地下常溫土壤或加熱巖土為熱源的熱泵機(jī)組稱為土源熱泵機(jī)組。如下圖所示，土源熱泵通過(guò)埋在建筑物周圍的管道系統(tǒng)在冬季從土壤中取暖，并在夏季向土壤排放熱量，以冷卻建筑物。
與地表水和空氣相比，土壤溫度全年波動(dòng)較小，夏在夏季和冬季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度，使熱泵機(jī)組運(yùn)行更加高效、穩(wěn)定、可靠。通常，土壤源熱泵消耗1kWh的能量，用戶可以獲得4kWh以上的熱量/冷量。
與空氣源熱泵相比，土壤源熱泵無(wú)除霜問(wèn)題，熱泵機(jī)組一般布置在室內(nèi)，隔音效果好，降噪措施好。
土壤傳熱性能差，通常需要較大的傳熱面積，導(dǎo)致埋管占地面積大或埋深較深。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，埋管對(duì)未來(lái)土地開(kāi)發(fā)的影響也需要考慮。此外，埋地管道的成本較高，如果運(yùn)行中出現(xiàn)故障，則不易維護(hù)。
土壤源熱泵在冬季從地下取熱，在夏季從地下取熱。當(dāng)冬季和夏季取熱和排熱負(fù)荷不平衡或熱量補(bǔ)充和消耗不足時(shí)，長(zhǎng)期使用容易導(dǎo)致地溫升高或降低，降低熱泵的換熱效果。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行熱平衡計(jì)算。如有必要，土壤的長(zhǎng)期溫度波動(dòng)可以通過(guò)輔助冷卻和加熱來(lái)控制。
三、水源熱泵。
以地表或地下水源為熱源（或熱匯）的熱泵機(jī)組稱為水源熱泵機(jī)組。水源熱泵的水源主要來(lái)自地下水、地表水、污水和廢水。下圖是其原理示意圖。
與其他類型的熱泵相比，水源熱泵機(jī)組的水溫相對(duì)穩(wěn)定，波動(dòng)范圍小于空氣。可用水溫可在夏季和冬季提供相對(duì)較低的冷凝溫度和較高的蒸發(fā)溫度。因此，水源熱泵機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定可靠，冬季空氣源熱泵除霜無(wú)問(wèn)題。
取水結(jié)構(gòu)復(fù)雜，更適合中大型工程。大型水源熱泵機(jī)組的供熱能力一般在1000~3000kW左右，大型熱泵站水源熱泵機(jī)組的供熱能力可達(dá)15mW.20mW.25mW.30mWV。
水源熱泵的應(yīng)用應(yīng)首先了解當(dāng)?shù)厮矗浞终{(diào)查水源狀況，確定用水方案。如果使用地下水，必須考慮回灌問(wèn)題，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件考慮回灌方法。回灌困難是大多數(shù)項(xiàng)目遇到的問(wèn)題。地下水源熱泵的應(yīng)用應(yīng)謹(jǐn)慎。
三、測(cè)量熱泵制造的運(yùn)行能力和節(jié)能參數(shù)。
通常使用以下參數(shù)來(lái)評(píng)估熱泵機(jī)組和系統(tǒng)的加熱/制冷能力。
(1)加熱量(Qh)
當(dāng)熱泵根據(jù)加熱條件運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)向熱用戶（熱匯）提供的熱量，即加熱條件下熱泵機(jī)組冷凝器提供的熱量。加熱量用于測(cè)量熱泵機(jī)組的加熱能力。
(2)制冷量(QC)
當(dāng)熱泵按制冷條件運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從冷卻物體中提取的熱量，即制冷條件下熱泵機(jī)組蒸發(fā)器吸收的熱量。制冷量用于測(cè)量熱泵機(jī)組的制冷能力。
(3)性能系數(shù)(COP)
定義為熱泵機(jī)組的加熱（或制冷）與其消耗功率之比，其值用W表示，無(wú)因次數(shù)。COP值是與運(yùn)行條件相關(guān)的量。在熱泵性能評(píng)價(jià)中，通常使用其額定條件的COP值，反映了熱泵額定條件的性能。
(4)制熱季節(jié)能效比(HSPF)
在加熱季節(jié)，當(dāng)熱泵加熱運(yùn)行時(shí)，向室內(nèi)輸送的熱量總和與消耗的高能總和之比用kWh/kWh表示，稱為HSPF。
(5)年度性能參數(shù)(APF)
由于熱泵通常在冬季和夏季運(yùn)行（加熱和制冷條件），APF被定義為以一年為計(jì)算周期的綜合性能。同一熱泵在制冷季節(jié)從室內(nèi)消除的熱量與制熱季節(jié)向室內(nèi)輸送的熱量總和與同一時(shí)期消耗的高能總和之比。其值用KWh/KWh表示，簡(jiǎn)稱APF。在熱泵性能評(píng)估中引入APF將使用戶了解更接近實(shí)際使用狀態(tài)的熱泵能耗和年能耗。
(6)能源利用系數(shù)(E)
將熱泵機(jī)組的制熱量(制冷量)與消耗的主要能量之比定義為。熱泵的節(jié)能效果通常用E來(lái)評(píng)價(jià)。